Izturība

Izturība ir materiāla īpašība, kas raksturo tā spēju novērst elektriskās strāvas plūsmu.

Elektrisko materiālu raksturojums

Galvenā elektrotehnikas īpašība ir īpatnējā elektriskā vadītspēja, ko mēra cm / m. Tas kalpo kā proporcionalitātes koeficients starp lauka intensitātes vektoru un strāvas blīvumu. To bieži apzīmē ar grieķu burtu gamma γ.Izturība tiek atzīta par elektrisko vadītspēju. Rezultātā iepriekšminētā formula kļūst: strāvas blīvums ir tieši proporcionāls lauka stiprumam un apgriezti proporcionāls vidēja īpatnējai pretestībai. Iekārta kļūst par Om m.

. Apsveramais jēdziens attiecas ne tikai uz cietiem materiāliem. Piemēram, strāvu veic ar šķidruma elektrolītiem un jonizētām gāzēm. Tādēļ katrā gadījumā ir pieļaujams ieviest pretestības jēdzienu, jo elektriskais lādiņš iet caur vidi. Grūtības atrast atsauces grāmatās ir grūti, piemēram, metināšanas loka vienkāršā iemesla dēļ - tās nav pietiekami iesaistītas šādos uzdevumos. Tas nav prasīts. Kopš atklāšanas Davija's platīna plāksnes spīdumu ar elektrisko strāvu, gadsimtu, kas pagājis pirms kvēlojošo spuldžu ieviešanas kopīgā lietošanā - līdzīga iemesla dēļ atklājums netika nekavējoties atzīts.

Atkarībā no pretestības vērtības, materiāli tiek sadalīti:

1. Vadiem - mazāk nekā 1/10000 Ohm m.

Šīs vērtības raksturo tikai ķermeņa spēju pretoties elektriskās strāvas padevei un neietekmē citus aspektus( elastību, karstumizturību).Piemēram, magnētiskie materiāli ir vadītāji, dielektriķi un pusvadītāji.

Kā vadītspēju veido materiālā

Mūsdienu fizikā, rezistence un vadītspēja parasti tiek izskaidrota ar zonas teoriju. Tas ir piemērojams cietiem kristāliskiem ķermeņiem, kuru režģa atomi ir stacionāri. Saskaņā ar šo koncepciju elektronu un citu lādiņu nesēju enerģiju nosaka noteiktie noteikumi. Materiālam piemīt trīs galvenās zonas:

• Valences zonā ir elektroni, kas saistīti ar atomiem.Šajā reģionā elektronu enerģija ir sadalīta pa pakāpieniem, un līmeņu skaits ir ierobežots. Atomu slāņu ārējā daļa.
• Aizliegtā zona.Šajā jomā maksas pārvadātājiem nav tiesību. Tā kalpo kā robeža starp abām pārējām zonām. Metāli bieži vien nav.
• Brīvā zona atrodas virs iepriekšējiem diviem.Šeit elektroni brīvi piedalās elektriskās strāvas un jebkuras enerģijas radīšanā.Nav līmeņu.

dielektriķi raksturo augstākā brīvās zonas atrašanās vieta. Ar jebkādiem dabas apstākļiem, ko var iedomāties uz Zemes, materiāli nerada elektrisko strāvu. Liels platums un bandgap. Metāliem ir brīvu elektronu masa. Un valences grupa tiek uzskatīta par vadīšanas reģionu - nav aizliegtu valstu. Tā rezultātā šiem materiāliem ir zema pretestība.

pretestības Atomu kontaktu saskarnē veidojas starpposma enerģijas līmeņi, rodas neparasti efekti, ko izmanto pusvadītāju fizika. Heterogenitātes tiek radītas tīši, ieviešot piemaisījumus( akceptētājus un donorus).Tā rezultātā tiek veidotas jaunas enerģijas valstis, kas elektriskās strāvas plūsmas procesā izpaužas jaunās īpašībās, kas nebija materiāla.

pusvadītājiem ir aizliegts joslas platums.Ārējo spēku darbības rezultātā elektroni var atstāt valences reģionu. Iemesls ir elektriskais spriegums, siltums, starojums, cita veida efekti. Dielektriķos un pusvadītājos, samazinoties temperatūrai, elektroni pāriet uz zemākiem līmeņiem, kā rezultātā piepildās valences josla, un vadīšanas josla paliek brīva. Elektriskā strāva neplūst. Saskaņā ar kvantu teoriju pusvadītāju kategorija ir raksturota kā materiāli, kuru joslas sprauga ir mazāka par 3 eV.

Fermi Energy

Fermi enerģija ieņem nozīmīgu vietu vadītspējas teorijā, pusvadītāju parādību skaidrojumos. Smalkumus literatūrā pievieno neskaidras definīcijas.Ārzemju literatūrā teikts, ka Fermi līmenis ir noteikta vērtība eV, un Fermi enerģija ir atšķirība starp to un zemāko kristālā.Šeit ir atlasīti vispārīgi un saprotami teikumi:

1. Fermi līmenis ir maksimālais no visiem, kas ir raksturīgi elektroniem metālos 0 K temperatūrā. Tāpēc Fermi enerģija ir starpība starp šo skaitli un minimālo līmeni absolūtā nulles līmenī.
2. Fermi enerģijas līmenis - varbūtība atrast elektronus ir 50% visās temperatūrās, izņemot absolūtu nulli.

Fermi enerģija tiek noteikta tikai temperatūrai 0 K, bet līmenis pastāv visos apstākļos. Termodinamikā koncepcija apraksta visu elektronu pilnu ķīmisko potenciālu. Fermi līmenis ir definēts kā darbs, ko tērē objekta pievienošanai ar vienu elektronu. Parametrs nosaka materiāla vadītspēju, palīdz saprast pusvadītāju fiziku.

Fermi līmenis ne vienmēr ir fiziski. Ir gadījumi, kad pārejas vieta bija aizliegtās zonas vidū.Fiziski līmenis nav, tur nav elektronu. Tomēr parametrs ir novērojams ar voltmetru: potenciālā atšķirība starp diviem ķēdes punktiem( rādījumi displejā) ir proporcionāla starpībai starp šo punktu Fermi līmeņiem un apgriezti proporcionālu elektronu lādiņam. Vienkārša atkarība.Šos parametrus atļauts saistīt ar vadītspēju un pretestību, izmantojot Ohm likumu ķēdes sekcijai.

Materiāli ar zemu īpatnējo pretestību

Vadi ietver lielāko daļu metālu, grafītu un elektrolītu.Šādiem materiāliem ir zema pretestība. Metālos pozitīvi uzlādētie joni veido kristālu režģa vietas, ko ieskauj elektronu mākonis. Tos parasti sauc par parastiem, lai iekļūtu vadīšanas joslā.

Lai gan nav pilnīgi saprotams, kas ir elektrons, to parasti raksturo kā daļiņu, kas pārvietojas kristāla iekšienē ar siltuma ātrumu simtiem km / s. Tas ir daudz vairāk, nekā nepieciešams, lai kosmosa kuģi varētu sākt orbītā.Tajā pašā laikā drifta ātrums, kas veido elektrisko strāvu intensitātes vektora darbības rezultātā, tikko sasniedz centimetru minūtē.Lauks tiek izplatīts vidē ar gaismas ātrumu( 100 tūkstoši km / s).

Šo attiecību rezultātā ir iespējams izteikt vadītspēju fizisko lielumu izteiksmē( sk. Attēlu):

• elektronu uzlādes aprēķināšanai, e.
• Brīvā nesēja koncentrācija, n.
• elektronu masa, man.
• Pārvadātāju siltuma ātrums,
• Elektronu vidējais brīvais ceļš, l.

Fermi līmenis metāliem ir robežās no 3 līdz 15 eV, un brīvo nesēju koncentrācija ir gandrīz neatkarīga no temperatūras. Tāpēc specifisko vadītspēju un līdz ar to pretestību nosaka molekulārās režģa struktūra un tās tuvums ideālam, brīvība no defektiem. Parametri nosaka brīvā elektronu ceļa garumu, ir viegli atrast atsauces grāmatās, ja nepieciešams veikt aprēķinus( piemēram, lai noteiktu specifisko pretestību).

Metāli ar kubikmetru ir vislabāk vadīti.Šeit ir iekļauts arī vara. Pārejas metāliem raksturīga daudz lielāka pretestība. Vadītspēja samazinās, palielinoties temperatūrai un augstām maiņstrāvas frekvencēm. Pēdējā gadījumā tiek novērota ādas iedarbība. Temperatūras atkarība lineāra virs noteiktās robežas, nosaukta holandiešu fizika Pētera Debjē.

Atzīmētas un nav tik tiešas atkarības. Piemēram, tērauda temperatūras apstrāde palielina defektu skaitu, kas dabiski samazina materiāla vadītspēju. Izņēmums no noteikuma bija anulēšana. Process samazina defektu blīvumu, kuru dēļ samazinās pretestība. Deformācijai ir spilgts efekts. Dažiem sakausējumiem mehāniskā apstrāde ievērojami palielina pretestību.

Materiāli ar augstu pretestību

Dažreiz ir nepieciešams īpaši palielināt pretestību. Līdzīga situācija rodas gadījumos, kad ir apkures ierīces un elektroniskās ķēdes rezistori. Pēc tam nākas sakausējumu ar augstu īpatnējo pretestību( vairāk nekā 0,3 µOm m).Ja to izmanto kā daļu no mērinstrumentiem, tiek parādīta prasība par minimālo potenciālu saskarē ar vara kontaktu.

Slavenākais bija nichrome. Bieži vien, apkures ierīces ir izgatavotas no lēta fehrle( trausls, bet lēts).Atkarībā no mērķa sakausējumos ir iekļauts varš, mangāns un citi metāli. Tas ir dārgs prieks. Piemēram, manganīna rezistors maksā 30 centus par Aliexpress, kur cenas tradicionāli ir zemākas par veikala cenām. Ir pat palādija sakausējums ar irīdiju. Materiāla cenu nedrīkst runāt skaļi.

Drukāto shēmu rezistori bieži tiek izgatavoti no tīriem metāliem izsmidzināšanas plēvju veidā.Hroms, tantals, volframs, sakausējumi tiek plaši izmantoti, cita starpā, nichrome.

vielas, kas neveic elektrisko strāvu

dielektriķi raksturo iespaidīga pretestība. Tā nav galvenā iezīme. Dielektriskie materiāli ietver materiālus, kas spēj sadalīt lādiņu elektriskā lauka iedarbībā.Tā rezultātā notiek akumulācija, ko izmanto kondensatoros. Uzlādes pārdales pakāpi raksturo dielektriskā konstante. Parametri parāda, cik reizes palielinās kondensatora kapacitāte, kur gaisa vietā tiek izmantots īpašs materiāls. Individuālie dielektriķi spēj veikt un emitēt svārstības maiņstrāvas darbības rezultātā.Ferroelektroenerģija ir zināma temperatūras izmaiņu dēļ.

Mainot lauka virzienu, notiek zudumi. Tāpat kā magnētisko spriegumu daļēji pārvērš par siltumu, ja to pakļauj vieglajam tēraudam. Dielektriskais zudums galvenokārt ir atkarīgs no frekvences. Ja nepieciešams, kā polimēru izolatorus izmanto tādus materiālus, kuru molekulas ir simetriskas, bez izteikta elektriskā momenta. Polarizācija notiek, kad lādiņi ir cieši saistīti ar kristāla režģi. Polarizācijas veidi:

1. Elektronu polarizācija notiek atomu ārējo enerģijas čaulu deformācijas rezultātā.Atgriezenisks. Raksturīgi ne polāriem dielektriķiem jebkurā vielas fāzē.Zema elektronu svara dēļ tas notiek gandrīz uzreiz( fs vienības).
2. jonu polarizācija pagarina divas kārtas lēnāk un ir raksturīga vielām ar jonu kristāla režģi. Attiecīgi materiāli tiek pielietoti frekvencēs līdz 10 GHz un tiem ir liels dielektriskais konstante( līdz 90 titāna dioksīdam).
3. Dipola relaksācijas polarizācija ir daudz lēnāka. Izpildes laiks ir simtdaļas sekundes. Dipola relaksācijas polarizācija ir raksturīga gāzēm un šķidrumiem, un atkarībā no tā ir atkarīga viskozitāte( blīvums).Temperatūras ietekme tiek izsekota: efekts veido maksimumu pie noteiktas vērtības.
4. Spontāna polarizācija ir novērojama feroelektrostacijās.